移动性无线传感器网络的研究
摘 要:随着无线传感器网络研究的深入，其应用愈加广泛，固定的网络结构已无法满足新增的需要，移动节点的引入扩展了无线传感器的应用领域，也带来了技术上的挑战。本文介绍了一些移动性无线传感器网络的典型协议，主要关注MAC层的节能算法，以便于无线传感器网络MAC层协议的进一步研究和改进。
关键词:无线传感器网络；移动；MAC；节能
中图分类号：TN919.2 文献标识码：A
一、引言
无线传感器网络作为微机电、通信和传感器三种技术相结合的产物，已成为计算机与通信领域的一个研究热点。无线传感器网络的应用前景广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居等领域，随着对无线传感器研究的深入和成熟，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。目前，国内外对无线传感器的研究主要针对无线传感器网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等。然而多数的研究局限于所有传感器节点都是静止的情况，不满足某些需要移动节点的应用，比如监测野生动物的生活，追踪病人的心跳情况等等，节点总是处于不断的运动中，同时引进移动节点还可以拓宽网络空间的采样能力，例如在应用移动节点收集其他静止节点的数据，作为一种信息收集槽。
无线传感器网络中，可能造成网络能量浪费的主要原因有：传输信息发生冲突、节点接收并处理不必要的数据（串音现象）、过度空闲侦听、控制消息过多等。MAC子层的主要任务就是可靠地控制信道的接入，尽量降低或减少以上的能量浪费。因此，MAC层协议的设计对无线传感器网络能量高效利用有重要的意义。
本文介绍了两种移动性无线传感器网络，一种是普通节点移动型，一种是代理节点（或中继节点）移动型，同时阐述了两者的研究现状，以便对移动性无线传感器进行进一步的研究和改进。
二、移动性无线传感器网络模型
根据移动的节点的功能不同，把移动性无线传感器网络分为两类：一种是普通节点移动型，一种是代理节点（或中继节点）移动型。下面分别对这两种节点进行介绍和分析。
1、普通节点移动型
这种网络模型具有分布式结构，各个节点的功能一样，没有主协调点和次要节点之分，类似于Flat Ad Hoc网络节点，如图1（a）。节点由于某种原因随时可能离开当前的网络，或进入新的网络，就会带来一系列的接入问题：如何判断节点离开/进入一个网络；网络如何适应节点的变化；节点间如何交互等等。对其它的移动网络，例如移动电话或移动Ad Hoc网络，已经有很多很好地解决其移动性的方案，但这些方案并不适用于无线传感器网络，由于无线传感器网络是能量受限型网络，网络协议的设计必须考虑能量损耗的问题。
目前有两种针对这种网络模型的能量高效的MAC接入协议：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，这两个协议都是建立在SMAC[3]协议的基础之上，考虑了节点移动性带来的接入和能耗问题。
MS-MAC提出了一种快速建立连接的机制，即根据接收到的信号变化来判断移动性，在需要时启动移动处理机制。在没有节点移动或者移动节点只在一个虚拟簇中移动的情况下，按SMAC机制工作；当移动节点要穿越虚拟簇边界时，移动节点和其周围的节点（一般两跳内的节点）形成一个“动态域”，如图2，动态域中的节点一直保持工作模式，直到移动节点与新簇的节点建立。这种方式可以避免了移动节点来不及与新网络建立连接而造成通信的中断。
MOBMAC为移动传感器网络提供了能量高效和低延迟的MAC层接入机制，考虑到节点移动带来的多普勒效应，采用自适应调整帧长度的方法，降低由多普勒效应引起的丢包率。当信道特性好的时候，增加每次传送的帧长度，以加快信息的传输；当信道特性差的时候，减小帧的长度。减小帧长度有两个优点：短帧与长帧相比，需要的传输能量要低；短帧发生突发性错误的几率相对要小。MOBMAC采用可扩展的卡尔马滤波器预测算法根据现在及之前的信道特性，之前的帧长度和协议开销来预测下一次要传输的帧长度，从而减少能耗，降低延迟。通过实验比较发现，MOBMAC与SMAC相比，能够减少60%的能量损耗，降低25%的延迟。
2、代理节点移动型
Lang Tong提出一种SENMA（Sensor Network with Mobile Agents）[4]网络模型，如图1(b)，SENMA有两种网络节点：传感器节点和移动代理节点。低功耗和低成本的传感器节点的处理能力和通信能力有限，而移动代理节点是功能强大的硬件单元，而且能够在整个传感器网络中移动。在SENMA网络中，移动节点不需要时刻与传感器节点通信，只有当需要收集数据或进行网络维护时才工作。这种网络的最大优点就是把复杂的数据处理、接入处理、数据转发传输、路由维护等工作由代理节点来完成，减轻传感器网络的能量负担，传感器节点是能量受限的，移动节点能量可以补充。
图2可以看出代理节点移动型网络在节能方面的优势：
（1）SENMA中，传感器节点与移动代理通信，信号在自由空间中传播，根据信号衰落与传输距离的关系可知，自由空间中信号的衰落与距离的二次方成正比。而右图的网络节点间的信息沿地表传播，信号衰落与距离的四次方成正比，从而信号传播相同的距离所需的发射功率大。
（2）SENMA中不需要传感器节点存储转发数据，消耗在接收信息上的能量很少。
（3）信息处理和网络维护由代理节点进行，且SENMA是单跳网络，不需要维护路由信息和邻节点信息，因而花费在控制上的能量开销要少。
SENMA在物理层利用直接序列扩频技术，MAC层采用机会型ALOHA随机接入机制[5]。机会型ALOHA中每个需要发送数据的节点根据自己的发送概率判断是否能发送，这个概率与移动代理接收到的信号能量成正比。如果某节点在当前时隙不发送数据，则进入睡眠状态，等待下一时隙到来。
SENMA的网络结构有先天的节能优势，但其机会型ALOHA接入机制能否进一步降低能耗还有待实验的检验。
美国Nice大学提出了“基于可预测移动中继节点的静态网络实现方法”[6]。利用可移动的中继节点来收集静态传感器网络的数据，有效地节约各传感器的能源，通过预测中继节点的运动，缩短传感器监听通讯信道的时间，从而减少能源消耗，达到延长传感器网络生存周期的目的。但是在传感器节点部署过密的情况下，对如何解决信道争用的问题没有提出很好的解决方案。
UCLA大学提出的EAR（窃听登记， Eavesdrop-And- Register）算法[7]可用于为静止节点和移动节点提供不间断的服务，但这种算法只适用于体上保持静止，且个别移动节点周围有多个静止节点的网络。但这个接入算法可以做适当的修改，以符合代理节点移动型网络。比如，把移动的节点当作是能量不受限的代理节点。EAR算法能够解决移动节点的接入时信息交互的问题，但在能量的有效性上还有待改进的地方，例如，可以让能量不受限的移动节点控制整个的接入过程，从而减少静止节点周期性广播消息的能耗等。
三、结束语
无线传感器网络自身的特点及其各种应用的需求，使得传统的无线协议很难适用于无线传感器网络中，同时，移动节点的引入，又对无线传感器网络媒体接入协议提出了新的挑战。本文阐述了近年来国外对移动性传感器网络所提出的一些设想和协议，为其进一步的研究与改善奠定了基础。目前，国内对移动性传感器网络的研究比较滞后，存在很多亟待解决的问题，需要更进一步深入研究。
参考文献
[1]Pham, H., Jha, S.; An adaptive mobility-aware MAC protocol for sensor networks (MS-MAC); Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, 2004 IEEE International Conference on 25-27 Oct. 2004 Page(s):558 - 560
[2]Raviraj, P., Sharif, H., Hempel, M., Song Ci; MOBMAC - an energy efficient and low latency MAC for mobile wireless sensor networks; Systems Communications, 2005. Proceedings 14-17 Aug. 2005 Page(s):370 - 375
[3]Wei Ye, Heidemann, J., Estrin, D.; An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks; INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE Volume 3, 23-27 June 2002 Page(s):1567 - 1576 vol.3
[4]Lang Tong, Qing Zhao, Adireddy S.; Sensor networks with mobile agents Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003. IEEE Volume 1, 13-16 Oct. 2003 Page(s):688 - 693 Vol.1
[5]Qin, X., Berry, R.; Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks; INFOCOM 2003. Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. IEEE Volume 2, 30 March-3 April 2003 Page(s):1084 - 1094 vol.2
[6]Arnab Chakrabarti，Ashutosh Sabharwal，Behnaam Aazhang．Using Predictable Observer Mobility for Power—Efficient Design of Sensor Network
[7]K.Sohrabi, J.Gao,V.Ailawadhi; Protocols for self-organization of a wireless sensor network; IEEE Personal Communications, October 2000,16-27
Research On The Wireless Sensor Network With Mobility
Abstract: The application of the WSN technology is being more extensive as the research on the WSN getting deep, and the stationary network architecture can’t server the newly demand any more. Then, the mobile node is introduced in order to expand the application of WSN, but bring the technology challenges as well. In the paper, some typical protocols of mobile WSN is introduced, and the protocols mainly focus on the energy efficient in the MAC layer, which make much sense in the future research.
Keywords: WSN；mobility；MAC；energy efficient
作者简介：
郑杰比，北京邮电大学电信工程学院研究生，主要研究方向为无线通信。
联系地址：北京邮电大学171信箱 邮编：100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 电话：13810811441
唐碧华，北京邮电大学电子工程学院副教授，硕士生导师，主要研究方向为移动通信
刘元安，北京邮电大学电信工程学院教授，博士生导师，主要研究方向为移动通信与电磁兼容
高锦春，北京邮电大学电信工程学院教授，硕士生导师，主要研究方向为无线通信
关键词:无线传感器网络；移动；MAC；节能
中图分类号：TN919.2 文献标识码：A
一、引言
无线传感器网络作为微机电、通信和传感器三种技术相结合的产物，已成为计算机与通信领域的一个研究热点。无线传感器网络的应用前景广阔，能够广泛应用于军事、环境监测和预报、健康护理、智能家居等领域，随着对无线传感器研究的深入和成熟，传感器网络将逐渐深入到人类生活的各个领域。目前，国内外对无线传感器的研究主要针对无线传感器网络能量受限的特点，提出了很多节能的MAC协议和路由协议等。然而多数的研究局限于所有传感器节点都是静止的情况，不满足某些需要移动节点的应用，比如监测野生动物的生活，追踪病人的心跳情况等等，节点总是处于不断的运动中，同时引进移动节点还可以拓宽网络空间的采样能力，例如在应用移动节点收集其他静止节点的数据，作为一种信息收集槽。
无线传感器网络中，可能造成网络能量浪费的主要原因有：传输信息发生冲突、节点接收并处理不必要的数据（串音现象）、过度空闲侦听、控制消息过多等。MAC子层的主要任务就是可靠地控制信道的接入，尽量降低或减少以上的能量浪费。因此，MAC层协议的设计对无线传感器网络能量高效利用有重要的意义。
本文介绍了两种移动性无线传感器网络，一种是普通节点移动型，一种是代理节点（或中继节点）移动型，同时阐述了两者的研究现状，以便对移动性无线传感器进行进一步的研究和改进。
二、移动性无线传感器网络模型
根据移动的节点的功能不同，把移动性无线传感器网络分为两类：一种是普通节点移动型，一种是代理节点（或中继节点）移动型。下面分别对这两种节点进行介绍和分析。
1、普通节点移动型
这种网络模型具有分布式结构，各个节点的功能一样，没有主协调点和次要节点之分，类似于Flat Ad Hoc网络节点，如图1（a）。节点由于某种原因随时可能离开当前的网络，或进入新的网络，就会带来一系列的接入问题：如何判断节点离开/进入一个网络；网络如何适应节点的变化；节点间如何交互等等。对其它的移动网络，例如移动电话或移动Ad Hoc网络，已经有很多很好地解决其移动性的方案，但这些方案并不适用于无线传感器网络，由于无线传感器网络是能量受限型网络，网络协议的设计必须考虑能量损耗的问题。
目前有两种针对这种网络模型的能量高效的MAC接入协议：MS-MAC [1]和 MOBMAC [2]，这两个协议都是建立在SMAC[3]协议的基础之上，考虑了节点移动性带来的接入和能耗问题。
MS-MAC提出了一种快速建立连接的机制，即根据接收到的信号变化来判断移动性，在需要时启动移动处理机制。在没有节点移动或者移动节点只在一个虚拟簇中移动的情况下，按SMAC机制工作；当移动节点要穿越虚拟簇边界时，移动节点和其周围的节点（一般两跳内的节点）形成一个“动态域”，如图2，动态域中的节点一直保持工作模式，直到移动节点与新簇的节点建立。这种方式可以避免了移动节点来不及与新网络建立连接而造成通信的中断。
MOBMAC为移动传感器网络提供了能量高效和低延迟的MAC层接入机制，考虑到节点移动带来的多普勒效应，采用自适应调整帧长度的方法，降低由多普勒效应引起的丢包率。当信道特性好的时候，增加每次传送的帧长度，以加快信息的传输；当信道特性差的时候，减小帧的长度。减小帧长度有两个优点：短帧与长帧相比，需要的传输能量要低；短帧发生突发性错误的几率相对要小。MOBMAC采用可扩展的卡尔马滤波器预测算法根据现在及之前的信道特性，之前的帧长度和协议开销来预测下一次要传输的帧长度，从而减少能耗，降低延迟。通过实验比较发现，MOBMAC与SMAC相比，能够减少60%的能量损耗，降低25%的延迟。
2、代理节点移动型
Lang Tong提出一种SENMA（Sensor Network with Mobile Agents）[4]网络模型，如图1(b)，SENMA有两种网络节点：传感器节点和移动代理节点。低功耗和低成本的传感器节点的处理能力和通信能力有限，而移动代理节点是功能强大的硬件单元，而且能够在整个传感器网络中移动。在SENMA网络中，移动节点不需要时刻与传感器节点通信，只有当需要收集数据或进行网络维护时才工作。这种网络的最大优点就是把复杂的数据处理、接入处理、数据转发传输、路由维护等工作由代理节点来完成，减轻传感器网络的能量负担，传感器节点是能量受限的，移动节点能量可以补充。
图2可以看出代理节点移动型网络在节能方面的优势：
（1）SENMA中，传感器节点与移动代理通信，信号在自由空间中传播，根据信号衰落与传输距离的关系可知，自由空间中信号的衰落与距离的二次方成正比。而右图的网络节点间的信息沿地表传播，信号衰落与距离的四次方成正比，从而信号传播相同的距离所需的发射功率大。
（2）SENMA中不需要传感器节点存储转发数据，消耗在接收信息上的能量很少。
（3）信息处理和网络维护由代理节点进行，且SENMA是单跳网络，不需要维护路由信息和邻节点信息，因而花费在控制上的能量开销要少。
SENMA在物理层利用直接序列扩频技术，MAC层采用机会型ALOHA随机接入机制[5]。机会型ALOHA中每个需要发送数据的节点根据自己的发送概率判断是否能发送，这个概率与移动代理接收到的信号能量成正比。如果某节点在当前时隙不发送数据，则进入睡眠状态，等待下一时隙到来。
SENMA的网络结构有先天的节能优势，但其机会型ALOHA接入机制能否进一步降低能耗还有待实验的检验。
美国Nice大学提出了“基于可预测移动中继节点的静态网络实现方法”[6]。利用可移动的中继节点来收集静态传感器网络的数据，有效地节约各传感器的能源，通过预测中继节点的运动，缩短传感器监听通讯信道的时间，从而减少能源消耗，达到延长传感器网络生存周期的目的。但是在传感器节点部署过密的情况下，对如何解决信道争用的问题没有提出很好的解决方案。
UCLA大学提出的EAR（窃听登记， Eavesdrop-And- Register）算法[7]可用于为静止节点和移动节点提供不间断的服务，但这种算法只适用于体上保持静止，且个别移动节点周围有多个静止节点的网络。但这个接入算法可以做适当的修改，以符合代理节点移动型网络。比如，把移动的节点当作是能量不受限的代理节点。EAR算法能够解决移动节点的接入时信息交互的问题，但在能量的有效性上还有待改进的地方，例如，可以让能量不受限的移动节点控制整个的接入过程，从而减少静止节点周期性广播消息的能耗等。
三、结束语
无线传感器网络自身的特点及其各种应用的需求，使得传统的无线协议很难适用于无线传感器网络中，同时，移动节点的引入，又对无线传感器网络媒体接入协议提出了新的挑战。本文阐述了近年来国外对移动性传感器网络所提出的一些设想和协议，为其进一步的研究与改善奠定了基础。目前，国内对移动性传感器网络的研究比较滞后，存在很多亟待解决的问题，需要更进一步深入研究。
参考文献
[1]Pham, H., Jha, S.; An adaptive mobility-aware MAC protocol for sensor networks (MS-MAC); Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, 2004 IEEE International Conference on 25-27 Oct. 2004 Page(s):558 - 560
[2]Raviraj, P., Sharif, H., Hempel, M., Song Ci; MOBMAC - an energy efficient and low latency MAC for mobile wireless sensor networks; Systems Communications, 2005. Proceedings 14-17 Aug. 2005 Page(s):370 - 375
[3]Wei Ye, Heidemann, J., Estrin, D.; An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks; INFOCOM 2002. Twenty-First Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. Proceedings. IEEE Volume 3, 23-27 June 2002 Page(s):1567 - 1576 vol.3
[4]Lang Tong, Qing Zhao, Adireddy S.; Sensor networks with mobile agents Military Communications Conference, 2003. MILCOM 2003. IEEE Volume 1, 13-16 Oct. 2003 Page(s):688 - 693 Vol.1
[5]Qin, X., Berry, R.; Exploiting multiuser diversity for medium access control in wireless networks; INFOCOM 2003. Twenty-Second Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies. IEEE Volume 2, 30 March-3 April 2003 Page(s):1084 - 1094 vol.2
[6]Arnab Chakrabarti，Ashutosh Sabharwal，Behnaam Aazhang．Using Predictable Observer Mobility for Power—Efficient Design of Sensor Network
[7]K.Sohrabi, J.Gao,V.Ailawadhi; Protocols for self-organization of a wireless sensor network; IEEE Personal Communications, October 2000,16-27
Research On The Wireless Sensor Network With Mobility
Abstract: The application of the WSN technology is being more extensive as the research on the WSN getting deep, and the stationary network architecture can’t server the newly demand any more. Then, the mobile node is introduced in order to expand the application of WSN, but bring the technology challenges as well. In the paper, some typical protocols of mobile WSN is introduced, and the protocols mainly focus on the energy efficient in the MAC layer, which make much sense in the future research.
Keywords: WSN；mobility；MAC；energy efficient
作者简介：
郑杰比，北京邮电大学电信工程学院研究生，主要研究方向为无线通信。
联系地址：北京邮电大学171信箱 邮编：100876
E-mail: jiebizheng@gmail.com 电话：13810811441
唐碧华，北京邮电大学电子工程学院副教授，硕士生导师，主要研究方向为移动通信
刘元安，北京邮电大学电信工程学院教授，博士生导师，主要研究方向为移动通信与电磁兼容
高锦春，北京邮电大学电信工程学院教授，硕士生导师，主要研究方向为无线通信
文章版权归西部工控xbgk所有，未经许可不得转载。
服务咨询